杭紹臺(tái)鐵路硅藻土地段線路方案研究

范俊懷 張 翔

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300308)

鐵路選線是影響全局的總體性工作。 為了確定合理的線路方案,應(yīng)綜合考慮多方面的控制因素,確定最優(yōu)線路方案。 胡子平[14]等從路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、環(huán)境及水資源保護(hù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程地質(zhì)等角度,對(duì)宜萬線的不同地段進(jìn)行了綜合選線設(shè)計(jì);彭學(xué)理[9]對(duì)宜萬鐵路繞避古滑坡、危巖落石和巖堆發(fā)育區(qū)進(jìn)行了改線方案分析;楊英[12]在成貴客運(yùn)專線采空區(qū)地質(zhì)選線中,圍繞采空區(qū)的繞或治進(jìn)行了大范圍的方案比較,最終選擇了繞避大型采空區(qū)的方案。 不良地質(zhì)是鐵路選線的重要控制因素之一,鐵路選線應(yīng)盡量繞避不良地質(zhì)地區(qū),無法繞避時(shí)應(yīng)采取特殊措施,以保證施工及運(yùn)營階段的鐵路安全[2,4]。 以杭紹臺(tái)鐵路硅藻土路段為例,重點(diǎn)分析硅藻土特殊的物理力學(xué)特性對(duì)工程的影響,充分考慮各影響因素的權(quán)重,提出工程可行、經(jīng)濟(jì)合理的線路方案[13]。

1 概述

1.1 項(xiàng)目概述

杭州經(jīng)紹興至臺(tái)州鐵路(以下簡稱杭紹臺(tái)鐵路)位于浙江省中東部,線路由杭甬客專紹興北站引出,經(jīng)紹興市的上虞區(qū)、嵊州市、新昌縣,臺(tái)州市的天臺(tái)縣、臨海市、椒江區(qū)、路橋區(qū)、溫嶺市等,終至甬臺(tái)溫鐵路的溫嶺站,新建線路全長226.369 km。 本項(xiàng)目是長三角城鎮(zhèn)化地區(qū)綜合交通網(wǎng)和城際快速骨干交通網(wǎng)的重要組成部分,也是沿海客專輔助通道的重要組成部分,其速度目標(biāo)值為350 km/h。

1.2 地形地貌及地質(zhì)特征

線路兩端紹興市和臺(tái)州市位于濱海沖海積平原區(qū),地形平坦,局部分布剝蝕殘丘;中段為低山丘陵區(qū),局部分布河谷盆地,嵊州附近分布玄武巖臺(tái)地,相對(duì)高差50 ～500 m,自然坡度25° ～60°,區(qū)域內(nèi)大部分地段植被茂盛,地表水系極其發(fā)育。 區(qū)域內(nèi)出露的主要地層時(shí)代有第四系、新近系、白堊系、侏羅系等,并伴有燕山期花崗巖侵入。

1.3 硅藻土特殊工程性質(zhì)

杭紹臺(tái)鐵路沿線嵊州市、新昌縣附近的玄武巖臺(tái)地分布有新近系多期噴發(fā)的玄武巖與多期河湖相沉積層,覆蓋在白堊系砂礫巖及侏羅系凝灰?guī)r之上。 硅藻土為第二沉積層,層厚4 ～90 m 不等,尤其以嵊州市浦橋鎮(zhèn)至崇仁鎮(zhèn)一帶厚度最大,可分為白色硅藻土(見圖1)、藍(lán)色硅藻土和黑色硅藻土三種,成份為硅藻和黏土類礦物,其垂直節(jié)理、水平節(jié)理、斜節(jié)理均很發(fā)育,壓縮性大,遇水容易軟化,力學(xué)性質(zhì)急劇下降,工程性質(zhì)極差,主要力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1 白色硅藻土

表1 硅藻土主要力學(xué)指標(biāo)

2 硅藻土對(duì)工程的影響及工程措施建議

線路主要以路基、隧道、橋梁的形式通過玄武巖臺(tái)硅藻土地區(qū)。 該區(qū)域硅藻土厚度大,工程性質(zhì)較差,需采取針對(duì)性的工程措施。

2.1 DK85+800 ～DK86+000 段硅藻土路基

(1)地質(zhì)條件及對(duì)工程的影響

本段為玄武巖臺(tái)地區(qū),表層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層,沖洪積層粉質(zhì)黏土、淤泥,第三系上新統(tǒng)多期噴發(fā)的玄武巖與河湖相白色硅藻土、藍(lán)色硅藻土、黑色硅藻土交替沉積。 在工程擾動(dòng)和干濕交替作用下,硅藻土的力學(xué)性質(zhì)急劇下降,容易引起原生結(jié)構(gòu)破壞而喪失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,進(jìn)而引起邊坡失穩(wěn)、路基沉陷等不良地質(zhì)問題。

(2)工程措施建議

對(duì)于路堤段,可采取以下加強(qiáng)措施:若采用樁基,應(yīng)采用干鉆工藝,并采取快速施工、快速封閉等針對(duì)性的工程措施,以避免硅藻土遇水軟化、力學(xué)性質(zhì)急劇下降。 對(duì)于路塹邊坡,可在路基兩側(cè)設(shè)置地表排水系統(tǒng),并采取措施減緩巖石風(fēng)化。

2.2 飛鳳山隧道

(1)地質(zhì)條件及對(duì)工程的影響

飛鳳山隧道位于浙江省嵊州市崇仁鎮(zhèn)與鹿山街道交界處,全長1327 m,最大埋深約89 m。 主要巖性為:新近系玄武巖、氣孔狀玄武巖、硅藻土(巖)、含硅藻土玄武巖。 洞身基巖節(jié)理發(fā)育(均為剪節(jié)理),一般無充填,對(duì)擬建隧道有一定影響。

(2)工程措施建議

①應(yīng)考慮加強(qiáng)施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,可采取地質(zhì)調(diào)繪法、工作面地質(zhì)素描法、超前炮眼、地球物理探測法等,地層變化處、物探異常帶等應(yīng)作為重點(diǎn)地段。

②加強(qiáng)進(jìn)口仰坡面的支護(hù),做好坡面排水措施。

③加強(qiáng)防、排水措施,重視隧道出口及斜井反坡排水問題。

④硅藻土巖極易軟化,軟化后承載力及黏聚力大大降低,造成邊坡緩慢滑移。 因此,洞身開挖需加強(qiáng)支護(hù),必要時(shí)應(yīng)盡量加長明洞,防止邊坡沿硅藻土巖面滑移。

⑤隧址區(qū)地表水主要為溝谷水,地下水主要為基巖裂隙水,地表水易沿節(jié)理密集帶下滲。 建議加強(qiáng)洞內(nèi)地下水及地表水的排水防滲及堵漏處理,同時(shí)加強(qiáng)支撐與防護(hù)。

2.3 若水特大橋

位于紹興市嵊州市崇仁鎮(zhèn)若水村。 工點(diǎn)范圍內(nèi)的特殊性巖土為人工填土和灰色(黑色)硅藻土。

橋梁設(shè)計(jì)時(shí)需考慮硅藻土對(duì)橋梁工程和基坑邊坡穩(wěn)定的影響。 建議采用旋挖鉆機(jī)干鉆法進(jìn)行施工,并采取快速施工、快速封閉等針對(duì)性的工程措施。 施工前,應(yīng)進(jìn)行單樁承載力及成樁工藝試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整樁基設(shè)計(jì)及施工參數(shù)。

3 線路方案研究

3.1 平面方案研究

新建杭紹臺(tái)鐵路三界至嵊州區(qū)域內(nèi)廣泛分布新近系玄武巖中硅藻土夾層,在玄武巖臺(tái)前緣的緩坡區(qū),易造成山前殘坡積碎石土順硅藻土層面滑動(dòng),形成滑坡或不穩(wěn)定斜坡,為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。 因此,硅藻土是影響線路走向的重要控制因素。

結(jié)合硅藻土分布、嵊州城鎮(zhèn)規(guī)劃、環(huán)境敏感點(diǎn)和地方政府意見,對(duì)本段范圍的線路走向研究了取直方案(方案Ⅰ)、并行在建二環(huán)路方案(方案Ⅱ)、并行G104 國道方案(方案Ⅲ),見圖2。

圖2 線路引入嵊州市局部走向方案

(1)取直方案

線路自三界站引出向南,經(jīng)廣利塘水庫東側(cè)通過,之后跨長樂江、澄潭江、S310 省道、甬金高速公路至嵊州新昌站,線路長26.5 km, 靜態(tài)工程投資28.6 億元。

(2)并行在建二環(huán)路方案

線路自三界站引出向南,經(jīng)大山下水庫、廣利塘水庫西側(cè)通過,之后跨長樂江、澄潭江、S310 省道、甬金高速公路至嵊州新昌站,線路長28.45 km, 靜態(tài)工程投資30.1 億元。

(3)并行G104 國道方案

線路自三界站引出向南,經(jīng)仙巖鎮(zhèn)西側(cè)并行G104 國道,之后穿嵊州市城區(qū)西側(cè),跨長樂江、澄潭江、S310 省道、甬金高速公路后至嵊州新昌站,線路長26.58 km,靜態(tài)工程投資36.6 億元。

(4)工程經(jīng)濟(jì)比較

各方案主要工程數(shù)量及投資比較見表2。

表2 工程經(jīng)濟(jì)比較

(5)綜合比選分析及推薦意見

各方案優(yōu)缺點(diǎn)分析見表3。

表3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

綜合以上分析,方案Ⅰ有效地降低了硅藻土對(duì)線路方案的不利影響,且該方案具有工程投資省、工程實(shí)施難度小等優(yōu)點(diǎn),故本次研究推薦取直方案(方案Ⅰ)。

3.2 穿越硅藻土段縱斷面研究

根據(jù)地質(zhì)勘探資料,基于取直方案,進(jìn)一步研究了短隧高橋方案、長隧低橋方案(見圖3)。

(1)短隧高橋方案

該段較長段落穿過硅藻土范圍,大部分以路基形式通過。 為盡量減少硅藻土的不利影響,縱斷面盡量拉高,線路從飛鳳山隧道洞口以較短距離穿越硅藻土地段(穿過硅藻土地段縮短為299 m),且主要位于隧道進(jìn)出口兩端,隧道進(jìn)口段約有95 m 位于藍(lán)色硅藻巖(土)中,約有79 m 位于含硅藻砂巖中,出口約有82 m位于白色硅藻巖(土)中,約有43 m 主要位于藍(lán)色硅藻巖(土)中。 隧道口上方硅藻土覆土很薄,換填后對(duì)隧道影響較小。 受坡度限制,出隧道后嵊州特大橋橋墩高度最高達(dá)到了68 m,且高橋段落較長。

圖3 穿越硅藻土段縱斷面方案比選示意

(2)長隧低橋方案

該方案線路縱斷面提前拉低,大大降低了嵊州特大橋的橋高和橋長,但飛鳳山隧道增長,線路穿越硅藻土層長度變?yōu)?74 m,隧道頂?shù)墓柙逋粮餐翆虞^厚,特別是隧道出口端較長段落位于硅藻土地段,施工難度和工程風(fēng)險(xiǎn)非常大。

(3)工程經(jīng)濟(jì)比較

兩方案主要工程數(shù)量及投資比較見表4。

(4)綜合比選分析及推薦意見

上述兩方案雖然都穿越了硅藻土地段,長隧低橋方案穿越長度更長,且硅藻土較長段落位于隧道上部,施工難度和風(fēng)險(xiǎn)非常大;而短隧高橋方案盡可能減少了穿越硅藻土地段的長度,且位于隧道頂?shù)墓柙逋梁苌?采取開挖換填措施后,可最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表4 工程經(jīng)濟(jì)比較

目前,國內(nèi)對(duì)硅藻土工程性質(zhì)和處理措施沒有成熟的經(jīng)驗(yàn),故選擇了風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)小的短隧高橋方案。